La nieve cae en invierno y se derrite en primavera, pero, ¿qué impulsa el cambio de fase en el medio?

Aunque la fusión es un fenómeno familiar que se encuentra en la vida cotidiana, participar en muchos procesos industriales y comerciales, Queda mucho por descubrir sobre esta transformación a un nivel fundamental.

En 2015, un equipo dirigido por Sharon Glotzer de la Universidad de Michigan utilizó computación de alto rendimiento en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía (DOE) para estudiar la fusión en sistemas bidimensionales (2-D), un problema que podría proporcionar información sobre las interacciones de la superficie en materiales importantes para tecnologías como los paneles solares, así como en el mecanismo detrás de la fusión tridimensional. El equipo exploró cómo la forma de las partículas afecta la física de una transición de fusión de sólido a fluido en dos dimensiones.

Usando la supercomputadora Cray XK7 Titan en Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, El trabajo del equipo reveló que la forma y la simetría de las partículas pueden afectar dramáticamente el proceso de fusión. Este hallazgo fundamental podría ayudar a guiar a los investigadores en la búsqueda de nanopartículas con propiedades deseables para aplicaciones energéticas.

Para abordar el problema, El equipo de Glotzer necesitaba una supercomputadora capaz de simular sistemas de hasta 1 millón de polígonos duros, partículas simples utilizadas como sustitutos de los átomos, que van desde triángulos hasta formas de 14 lados. A diferencia de las simulaciones tradicionales de dinámica molecular que intentan imitar la naturaleza, Las simulaciones de polígonos duros brindan a los investigadores un entorno reducido en el que evaluar la física influenciada por la forma.

"Dentro de nuestro entorno 2-D simulado, encontramos que la transición de fusión sigue uno de tres escenarios diferentes dependiendo de la forma de los polígonos de los sistemas, "Joshua Anderson, científico investigador de la Universidad de Michigan, dijo". Descubrimos que los sistemas formados por hexágonos siguen perfectamente una teoría bien conocida para la fusión 2-D, algo que no se ha descrito hasta ahora ".

Escenarios de formas cambiantes

En sistemas 3-D como un carámbano adelgazante, la fusión toma la forma de una transición de fase de primer orden. Esto significa que las colecciones de moléculas dentro de estos sistemas existen en forma sólida o líquida sin intermediarios en presencia de calor latente. la energía que alimenta un cambio de fase de sólido a fluido. En sistemas 2-D, como los materiales de película fina utilizados en baterías y otras tecnologías, la fusión puede ser más compleja, a veces exhibiendo una fase intermedia conocida como la fase hexática.

La fase hexática, un estado caracterizado como un punto intermedio entre un sólido ordenado y un líquido desordenado, fue teorizado por primera vez en la década de 1970 por los investigadores John Kosterlitz, David Thouless, Burt Halperin, David Nelson, y Peter Young. La fase es una característica principal de la teoría KTHNY, una teoría de fusión 2-D propuesta por los investigadores (y nombrada en función de las primeras letras de sus apellidos). En 2016, Kosterlitz y Thouless recibieron el Premio Nobel de Física, junto con el físico Duncan Haldane, por sus contribuciones a la investigación de materiales 2-D.

A nivel molecular, sólido, hexático, y los sistemas líquidos se definen por la disposición de sus átomos. En un sólido cristalino Hay dos tipos de orden:traslacional y orientacional. El orden de traslación describe las rutas bien definidas entre átomos en distancias, como bloques en una torre Jenga cuidadosamente construida. El orden orientacional describe el orden relacional y agrupado compartido entre átomos y grupos de átomos en distancias. Piense en esa misma torre Jenga torcida después de varias rondas de juego. La forma general de la torre permanece, pero su orden ahora está fragmentado.

La fase hexática no tiene orden de traslación pero posee orden de orientación. (Un líquido no tiene orden de traslación ni de orientación, pero exhibe un orden de corto alcance, lo que significa que cualquier átomo tendrá un número promedio de vecinos cercanos pero sin un orden predecible).

Deducir la presencia de una fase hexática requiere una computadora de clase dirigente que pueda calcular grandes sistemas de partículas duras. El equipo de Glotzer obtuvo acceso al Titan de 27 petaflop de OLCF a través del programa Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE), ejecutando su código HOOMD-blue acelerado por GPU para maximizar el tiempo en la máquina.

En titán HOOMD-blue utilizó 64 GPU para cada simulación de Monte Carlo masivamente paralela de hasta 1 millón de partículas. Los investigadores exploraron 11 sistemas de formas diferentes, aplicando una presión externa para juntar las partículas. Cada sistema fue simulado a 21 densidades diferentes, con las densidades más bajas representando un estado fluido y las densidades más altas un estado sólido.

Las simulaciones demostraron múltiples escenarios de fusión que dependían de la forma de los polígonos. Los sistemas con polígonos de siete lados o más de cerca siguieron el comportamiento de fusión de los discos duros, o círculos, exhibiendo una transición de fase continua de la fase sólida a la fase hexática y una transición de fase de primer orden de la fase hexática a la fase líquida. Una transición de fase continua significa un área en constante cambio en respuesta a una presión externa cambiante. Una transición de fase de primer orden se caracteriza por una discontinuidad en la que el volumen salta a través de la transición de fase en respuesta a la presión externa cambiante. El equipo encontró pentágonos y pentilles cuádruples, pentágonos irregulares con dos longitudes de borde diferentes, exhiben una transición de fase sólida a líquida de primer orden.

El hallazgo más significativo, sin embargo, surgió de sistemas hexagonales, que siguió perfectamente la transición de fase descrita por la teoría KTHNY. En este escenario, las partículas cambian de sólido a hexático y de hexático a fluido en un patrón de transición de fase continuo perfecto.

"En realidad, fue un poco sorprendente que nadie más haya descubierto que hasta ahora, "Anderson dijo, "porque parece natural que el hexágono, con sus seis lados, y la disposición hexagonal en forma de panal sería una combinación perfecta para esta teoría "en la que la fase hexática generalmente contiene seis órdenes de orientación.

El equipo de Glotzer, que recientemente recibió una asignación INCITE 2017, ahora está aplicando su destreza informática de clase líder para abordar las transiciones de fase en 3-D. El equipo se centra en cómo las partículas fluidas se cristalizan en coloides complejos, mezclas en las que las partículas están suspendidas en otra sustancia. Los ejemplos comunes de coloides incluyen leche, papel, niebla, y vidrieras.

"Estamos planeando usar Titan para estudiar cómo la complejidad puede surgir de estas interacciones simples, y para hacer eso, veremos cómo crecen los cristales y estudiaremos la cinética de cómo sucede eso, "dijo Anderson.